Limitatori di sovratensione (SPD)

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1 Limitatori di sovratensione (SPD) memoria di approfondimento aggiornata alla CEI EN /4 SLIDES PRESENTAZIONE SPD 2007

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3 Limitatori di sovratensione Memoria di approfondimento sull'utilizzo degli SPD aggiornata alla norma CEI EN /4 edizione gennaio 2007 Redazione a cura della Formazione Tecnica Responsabile: Giuseppe Mezzadri Redattore: Giuseppe Mezzadri e Carlo Petrini Grafica: Studio Dal Verme Tenti Stampa: MODERNA Srl

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5 Premessa Gli effetti provocati dalla fulminazione diretta e/o indiretta possono essere molto dannosi e pericolosi. Le strutture sono sottoposte ad una serie di rischi che vanno dall'innesco incendi a causa delle correnti di fulmine, alla morte di persone o animali per tensioni di passo e contatto, fino alla distruzione di impianti e apparecchiature per il cedimento dell'isolamento principale dei singoli componenti. Il problema legato alla protezione delle strutture in generale e degli utilizzatori in particolare da questi fenomeni è molto complesso. Le Norme CEI EN /4 invitano ad un attenta analisi progettuale per valutare il rapporto tra il rischio che si corre di avere un particolare danno e il rischio che l utente, o la comunità, considera tollerabile e, nel caso il primo risulti maggiore del secondo, individuano le misure di protezione più idonee da adottare. Le Norme danno chiare indicazioni al progettista sui valori di rischio tollerabile per le perdite riguardanti il sociale (vite umane, servizio pubblico essenziale, patrimonio artistico e culturale), ma per quanto riguarda i danni economici privati, il valore del rischio e la valutazione economica di un eventuale protezione è lasciata al singolo committente. E' comunque noto che le sovratensioni provocano numerosi danni agli impianti elettrici in particolare ai componenti con tensioni di tenuta 2,5kV come ad esempio: gli avvolgimenti dei motori, le apparecchiature informatiche (computer - modem - ecc.), gli elettrodomestici e gli utensili portatili, gli apparecchi per la comunicazione audio e video e in generale tutte le apparecchiature con parti elettroniche. Questi componenti, particolarmente "sensibili" alle sovratensioni, sono sempre più utilizzati nell'industria, nel terziario e oggi anche all'interno delle nostre abitazioni. Si tratta di apparecchiature e sistemi che gestiscono e controllano funzioni e servizi sempre più "vitali" per la sicurezza e il comfort dei gestori e dei fruitori degli impianti elettrici e che per questo necessitano di protezioni particolari. Cosa sono i dispositivi di limitazione dalle sovratensioni (SPD), come leggere e interpretare le caratteristiche tecniche, quando é conveniente la loro adozione e come istallarli correttamente. A queste domande la Struttura della Formazione e BtScuola di Bticino risponde con la presente memoria che prende spunto dalla recente Norma CEI EN /4 pubblicata nell aprile del Detta Norma, infatti, oltre ai principi generali alla base della protezione dei fulmini e alla procedura per la valutazione del rischio, fornisce i criteri che permettono di scegliere, dimensionare ed installare i limitatori di sovratensione (SPD) per proteggere l'impianto elettrico utilizzatore di bassa tensione e le apparecchiature ad esso collegate dalle sovratensioni e dalle sovracorrenti impulsive che possono essere presenti nell'impianto elettrico BT. Si ricorda che, anche se realizzati a regola d arte, i sistemi di protezione contro i fulmini non assicurano una protezione assoluta alle strutture, alle persone ed alle cose, pertanto BTicino si ritiene responsabile solo ed esclusivamente della rispondenza dei suoi prodotti alle caratteristiche dichiarate in targa. PREMESSA LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 3

6 Indice degli argomenti Descrizione Pag. n Legenda sigle 6 Descrizione Slide n 1 Parte 1^ teorico normativa 2 58 Rischi inerenti la fulminazione di un edificio 3 4 Tipologie delle sorgenti di danno e componenti di rischio S1: fulminazione che colpisce direttamente l edificio (componenti R A -R B -R C ) S2: fulminazione in prossimità dell edificio (componente R M ) S3: fulminazione che colpisce direttamente una linea entrante nell edificio (componenti R U -R V -R W ) S4: fulminazione a terra in prossimità di una linea entrante nell edificio (componente R Z ) Concetti generali di protezione con SPD Tipologie di Sovratensioni Sovratensioni TEMPORANEE Sovratensioni TRANSITORIE 24 -Sovratensioni DI ORIGINE ATMOSFERICA 25 -Sovratensioni VERSO TERRA: longitudinali o di modo comune 26 -Sovratensioni TRA CONDUTTORI ATTIVI: trasversali o differenziali 27 Dispositivo di distacco interno all SPD 28 Protezione SPD da cortocircuito Con automatico magnetotermico 30 -Con fusibile 31 Protezione SPD con differenziale Dati caratteristici degli SPD SPD ad INNESCO SPD a LIMITAZIONE 36 -Corrente susseguente e continuativa (I s - I c ) Tensione max continuativa, nominale e residua (U c - U 0 - U res ) Livelli di protezione (U p U p/f ) Metodi per minimizzare la cdt induttiva sui cavi di collegamento (SDU) Tipologia SPD SPD di classe I 49 -SPD di classe II 50 -SPD di classe III SPD2007

7 Descrizione Slide n Tenuta ad impulso delle apparecchiature (impianto e utilizzatori) Tensione nominale di tenuta all impulso e di immunità (U W U imm ) 53 -Categoria di tenuta all impulso (I-II-III-IV) Coordinamento tra SPD Distanze minime di disaccoppiamento 58 2 Parte 2^ teorico normativa Dati tecnici SPD BTICINO tipo S art. F10S/ tipo L art. F10L/ tipo H art. F10H/ tipo A art. F10A/ tipo T limitatori delle serie civili componibili Bobine di disaccoppiamento per coordinamento SPD BTICINO Esempi applicativi di installazione SPD Sistema TT Abitativo & Piccolo terziario Fulminazione indiretta Sistema TT Abitativo & Piccolo terziario Fulminazione diretta e indiretta Riferimenti a Leggi e Norme per la protezione contro le sovratensioni DPR 547/ CEI CEI EN (CEI 81-10) Valutazioni economiche per la protezione contro le sovratensioni Indice note esplicative Installazione SPD di classe I 89 2 Rapporto tensioni U C e U Scatto intempestivo differenziali 91 4 Modalità di collegamento SPD 92 5 Uso degli SPD terminali serie civili 93 6 Distanza di disaccoppiamento 94 7 Distanza di protezione (l pi ) 95 8 Isolamento elettrico dell LPS esterno 96 9 Segnalazione fina vita cartuccia SPD 97 INDICE DEGLI ARGOMENTI LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 5

8 Legenda sigle Sigla Descrizione LEMP LPL LPS I c I cond I F I imp I n I s Impulso elettromagnetico di fulminazione (Lightning electromagnetic impulse). Effetti elettromagnetici della corrente di fulmine, inclusi gli impulsi condotti e gli effetti del campo elettromagnetico irradiato. Livello di protezione (Lightning Protection Level). Numero associato ad un gruppo di valori dei parametri della corrente di fulmine (I), relativo alla probabilità che i correlati valori (max e min) di progetto non siano superati in natura. Impianto di protezione (Lightning Protection System). Impianto completo usato per ridurre il danno materiale dovuto alla fulminazione diretta della struttura. Corrente continuativa. Corrente che circola in ogni SPD alimentato dalla tensione massima continuativa (U c ). Corrente drenata dai corpi metallici entranti nell edificio (I F ) che transita nei singoli conduttori della linea elettrica entrante nell edifico. Corrente di fulmine (I imp ) portata a terra dalle calate e drenata dai corpi metallici entranti nell edificio. Corrente di fulmine avente la tipica forma d onda 10/350 μs. Corrente di fulmine indotta avente la tipica forma d onda 8/20 μs. Corrente susseguente. Corrente che circola nell SPD ad innesco dopo una sovratensione impulsiva. U arc Tensione d arco. Tensione relativa all SPD ad innesco oltre la quale vi è la circolazione della I s. U c Tensione massima continuativa. Tensione che può essere applicata permanentemente all SPD. U p Livello di protezione dell SPD. Valore di tensione che caratterizza il comportamento dell SPD nel limitare la tensione ai suoi terminali e che è scelto tra una serie di valori preferenziali. U p/f Livello di protezione effettivo dell SPD (U p + ΔU). Valore di tensione di cui sopra comprensivo della caduta di tensione induttiva sui cavi di collegamento all SPD. U res Tensione residua (di innesco). E la tensione di picco che appare ai terminali di un SPD a seguito del passaggio della corrente di scarica. U TOV Sovratensioni temporanee a frequenza industriale (Temporay Over Voltage). U w Tensione nominale di tenuta ad impulso. E tensione di tenuta ad impulso assegnata dal costruttore ad una apparecchiatura o ad una parte di essa, per caratterizzare la capacità del suo isolamento contro le sovratensioni. U 0 Tensione nominale F-N del sistema elettrico. Δ u Caduta di tensione induttiva sui conduttori di connessione. pi l Distanza di protezione tra SPD e apparato da proteggere determinata dai fenomeni di induzione. po l Distanza di protezione tra SPD e apparato da proteggere determinata dai fenomeni di oscillazione. K Coefficiente per determinare la distanza di protezione po l. Coefficiente di ripartizione della corrente di fulmine tra le calate dell LPS esterno K c 6 SPD2007

9 1 F NORME CEI EN /4 PER LA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI 1,5 kv 2,5 kv N F ΔU + U P + 4 kv PRINCIPI GENERALI VALUTAZIONE DEL RISCHIO DANNO MATERIALE ALLE STRUTTURE E PERICOLO PER LE PERSONE IMPIANTI ELETTRICI ED ELETTRONICI NELLE STRUTTURE 6 kv U W U P I ipm I max PE ΔU = Up/f U C I n I C R A R B R C R U R V R W R M R Z LIMITATORI DI SOVRATENSIONE LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 7

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11 3 4 PARTE 1^ - TEORICO NORMATIVA LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 9

12 5 6 Per difendersi dalla componente R A possono essere necessari strati isolanti a livello del suolo e barriere isolanti a livello delle calate. La componente R B può essere controllata dagli SPD. Ndr Le parole induttiva e resistiva riferite alla componente R B sono state aggiunte per identificare due diversi tipi di scariche pericolose (vedi slides che seguono) ma non sono termini codificati dalla Norma CEI EN /4. 10 SPD2007

13 7 nota 8 = vedi slide 96 La tensione (v) tra la calata ed il corpo metallico interno dipende dal valore di induttanza della spira formata dalla calata ed il corpo metallico stesso (L) e dalla variazione del valore di corrente (I) nel tempo (t) che, nella fattispecie del fulmine, è elevatissima. K c = coefficiente di ripartizione della corrente di fulmine tra le calate (vedi Allegato C della CEI EN ) PARTE 1^ - TEORICO NORMATIVA LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 11

14 8 Di fatto solo una quota a parte della corrente di fulmine (I) che scende lungo la calata può trasferirsi verso l SPD (10-30%). Di questa quota a parte un ulteriore fetta viene drenata dal conduttore di PE da 6 mm 2. Infine ciò che resta viene divisa per 4 o 2, rispettivamente se la linea è tetra o bipolare. Quindi, secondo noi, un SPD con I imp da 20 ka onda 10/350 µs si può ritenere più che sufficiente. 9 La corrente di fulmine (I) portata a terra dalle calate viene in parte dispersa nel terreno (I T ) e in parte drenata dai servizi elettrici entranti nell edificio o di altre natura purché metallici (I F ). 12 SPD2007

15 10 La formula riportata considera i valori di resistenza di terra dei dispersori di messa a terra delle linee aeree, uguali a quelli dell impedenza convenzionale di terra delle linee o corpi metallici esterni interrati. Questo in conformità all allegato E della CEI EN PARTE 1^ - TEORICO NORMATIVA LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 13

16 11 Da notare che con l aumentare dei servizi entranti la corrente drenata (I F ) diminuisce. Con l SPD bticino tipo S forma d onda 10/350 µs è possibile coprire tutti i valori per linee tetrapolari: circuito 3P+N (I cond 20 ka). LPL: Livello di protezione (Lightning Protection Level). 12 Per componente R A e R B vedi slide 6. LEMP: Impulso elettromagnetico di fulminazione (Lightning elettromagnetic impuls). La componente R C può essere controllata dagli SPD. Ad esempio installando SPD terminali in prossimità delle apparecchiature particolarmente sensibili (vedi slide 69). 14 SPD2007

17 13 Nota 7 = vedi slide 95 PARTE 1^ - TEORICO NORMATIVA LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 15

18 14 La componente R M può essere controllata dagli SPD. Ad esempio installando SPD terminali in prossimità delle apparecchiature particolarmente sensibili (vedi slide 69). 15 Nota 7 = vedi slide SPD2007

19 16 Le componenti R U - R V - R W possono essere controllate dagli SPD. PARTE 1^ - TEORICO NORMATIVA LIMITATORI DI SOVRATENSIONE (SPD) 17